基于三维荧光光谱和主成分分析的溢油风化研究
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摘要：通过开展风化模拟实验，探讨了油品三维荧光光谱特征的风化变化规律.将油样三维荧光光谱转化为矢量，计算特征峰强度比值，并对矢量数据进行主成分分析.分析了不同风化时间光谱数据、特征峰强度比值和主成分分析因子得分的变化.结果表明，风化过程不会改变油样三维荧光光谱的分布特征，但能改变荧光特征峰的相对强度，变化趋势与特征峰的位置有关.特征峰强度比值和第一主成分因子得分的变化分为水面、水下2个阶段，可能与风化机理不同有关.溢油源鉴定中，可以综合使用荧光特征峰比值、第一主成分因子得分2个参数，作为油样风化程度的判定依据.
关键词：荧光光谱;主成分分析;风化;溢油
中图分类号：P76 文献标识码：A
随着经济发展和能源需求增加，海洋石油工业和海上石油运输得到蓬勃发展，海洋环境的石油污染情况日趋严重.溢油进入海洋环境后，会发生蒸发、扩散、溶解、乳化、光化学氧化生物降解等一系列过程，统称为风化作用.不同风化作用对溢油组成的影响不同，直接关系到溢油源鉴定的准确性，因此,风化研究是当前溢油鉴别研究的热点和难点.目前，中国的溢油风化研究还未成系统体系，往往是借鉴国外研究成果，而国外则是通过对不同油种进行不同条件下风化的大量实验为基础建立经验方程，风化机理的研究仍是薄弱环节［1-6］.Jokuty 等［7］研究得到了风化过程中不同油品组分与其物理性质,粘附性的经验关系式，以及不同油品组成与乳化物形成的可能性关系.Fingas［8］通过研究湍流、风速和油品表面积关系，得到了直接从蒸馏数据计算的蒸发方程.
荧光光谱法是溢油鉴别的重要手段之一，该方法的信息来源为油品中的芳烃类多环化合物，主要包括萘、菲、芴和二苯并噻吩等及其烷基化同系物.三维荧光光谱是在传统荧光分析技术基础上发展起来的一种新型技术，现有研究结果表明，油品三维荧光光谱中含有萘、菲、芴、苝等5类物质的荧光光谱信号［9］，风化过程会使油品特征荧光峰的强度减小，但油样在不同风化时间的光谱分布特征没有明显差别，识别起来有一定困难［10-11］.也有学者认为，尽管溢油三维荧光光谱的特征荧光峰强度略有变化, 但是特征峰荧光强度比值随风化时间的变化极小，可作为溢油鉴别指标应用［12］.
本文通过开展风化模拟实验，对油样的三维荧光光谱开展跟踪研究，通过结合主成分分析方法，探讨了油品三维荧光光谱特征的风化变化规律和风化程度判定依据，从而为溢油源鉴定工作提供了重要
Li等［15］对发射波长为245 nm时的油样二维荧光光谱进行主成分分析后发现，第一主成分得分与风化程度相关，而且风化程度越大，油样的第一主成分得分数值越高，认为可以用主成分分析来判断油样的风化程度.本研究中，风化油样的第一主成分得分也随风化时间的增加呈上升趋势，但变化趋势分为2个阶段：实验开始至第24 d，第一主成分得分数值逐渐上升；第35 d，第一主成分得分数值略有降低;第35 d之后，第一主成分得分数值继续呈上升趋势.
2.4 风化过程分析
整个风化过程分为2个阶段：第1阶段为水面阶段，风化油样在水面形成油膜，荧光特征峰比值R1与R2逐渐降低，第一主成分因子得分升高.第2阶段为水下阶段，风化油样沉降到水体中，荧光特征峰比值R1与R2略有升高后继续降低，第一主成分因子得分略有降低后又持续升高.两个风化阶段的产生，可能与水面和水下的环境条件不同，导致溢油经历的风化机理不同有关.各个风化阶段，荧光特征峰比值、第一主成分因子得分都随风化时间发生规律变化，且两者的变化趋势恰好相反.可以考虑在溢油源鉴定中，综合使用上述2个参数，作为油样风化程度的判定依据.
3 结 论
研究结果表明，风化过程不会改变油样三维荧光光谱的分布特征，但能够改变荧光特征峰的相对强度，变化趋势与特征峰的位置有关.实验过程中，荧光特征峰比值、第一主成分因子得分的变化分为水面、水下2个阶段，可能与不同的风化机理有关.溢油源鉴定中，可以综合使用荧光特征峰比值、主成分分析中的第一主成分因子得分2个参数，作为油样风化程度的判定依据.参考文献
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